預應力碳纖維板在橋梁加固中的應用

朱果山

(山西省安裝集團股份有限公司，山西 太原 030012)

預應力碳纖維板加固技術在結構補強加固中取得廣泛的應用，對碳纖維板施加預應力，減少橋梁結構的變形量，提升橋梁結構的承載性能，可以用較少的成本、較高的效率取得良好的橋梁加固效果。預應力碳纖維板加固施工細節多，深入研究施工的要點具有重要意義，以科學的方法進行施工，從而充分發揮出預應力碳纖維板的性能優勢，取得良好的加固效果。

1 工程概況

本橋梁位于國道337跨越蔚汾河上，橋梁結構為小箱梁成兩聯布置，橋跨為3×20m+4×20m=140m。橋梁與河道夾角為105度，橫向布置為2.0m(人行道)+2.5m(非機動車道)+1.5m(設施帶)+10.5m(機動車道)+ 3.0m(中央分隔帶)+10.5m(機動車道)+1.5m(設施帶)+2.5m(非機動車道)+2.0m(人行道)=36.0m，隨著地區經濟的發展，橋梁車流量增加，車輛重載化，橋梁結構逐步老化，加之降雨、日曬、凍害等因素的影響，橋梁鋪裝層受損，橋梁底處分布較多的縱橫向裂縫，亟需采取加固措施。經過技術可行性分析后，擬采用預應力碳纖維板加固橋梁，快速處治橋梁病害，提升梁體的承載性能。

2 橋梁病害概述

根據現場調查結果可知：本橋梁各梁跨中底板存在豎向裂縫，開裂病害較為嚴重，主要集中在橫隔板處，結構中的鋼筋部分裸露于外界，受潮濕空氣等環境因素的影響，鋼筋逐步銹蝕；橋梁局部受損，伸縮縫的橡膠條性能退化且部分遭到破壞，縫內的雜質堆積量較多。本橋梁裂縫病害的主要特點，如下：1)底板橫向裂縫：屬于跨中受彎導致的裂縫，集中在底板L/4～3L/4范圍內，裂縫經過長期的發展后，長度延伸，部分已經到達腹板處；2)腹板豎向裂縫：具有“上寬下窄”的形態特點，縫長為0.6～1.5m，縫寬為0.10～0.14m，基本屬于底板橫向裂縫延伸后的結果；3)腹板斜向裂縫：縫長為0.4～0.6m，縫寬為0.1～0.12mm，絕大部分均與底板橫向裂縫貫通，影響范圍相對較大；4)根據各部位裂縫的長期調查數據可知，底板橫向裂縫和腹板豎向裂縫均有持續發展的變化趨勢，具體表現為數量的增加和縫寬的擴大兩個方面[1]。經研究決定，采用預應力碳纖維板進行加固。

3 預應力碳纖維板的主要材料及其性能

3.1 碳纖維板

以表面較為粗糙的碳纖維板材為宜，選取樣品，由工程所在地區省建筑材料研究中心進行檢測，實測標準抗拉強度為2 470MPa，高于規定值(2 400MPa)；受拉彈性模量為1.65×105MPa，滿足不低于1.60×105MPa的要求；伸長率為1.71%，滿足不低于1.7%的要求。總體上，碳纖維板的各項力學性能指標均符合要求，可作為本次橋梁加固的施工材料[2]。

3.2 碳纖維膠黏劑

碳纖維板粘貼過程中，采用的是由底膠、找平膠等為原材料按特定比例配制而成的專用膠黏劑。在初步選取材料后，由橋梁工程所在地區的省建筑材料研究中心進行檢測，結果表明碳纖維膠黏劑的各項性能指標均符合要求。

碳纖維板粘貼所需的底膠和找平膠均采用的是由A級膠∶B級膠以3∶1(重量比)配制而成的雙組分材料，膠黏劑性能指標均符合要求，在本次預應力碳纖維板加固中具有可行性。此外，考慮到板底局部存在裂縫，還按照A膠∶B膠為1∶0.5(重量比)的比例配制裂縫修補結構膠。

4 預應力碳纖維板加固施工要點

4.1 準備工作

1)材料選取。以厚度一致、表面平整的碳纖維板為宜，由具有資質的供應商提供材料，進場時進行質量檢驗；2)以橋梁實際情況為準，合理調整碳纖維板的寬度和厚度，保證各碳纖維板均可有效應用；3)測量跨梁間距，測量誤差范圍為-0.15～0.27m，發現偏差后及時糾正。

4.2 基底處理

全面清理基底脫落的混凝土，鑿除舊橋受損部位以及碳化部位，檢查舊橋的質量缺陷，按照缺陷類型及嚴重程度采取修復措施。橋梁裂縫寬度在2mm以內時，可涂刷環氧樹脂，達到2mm及以上時，采取灌注環氧樹脂的處理方法。若橋梁受損，進行修復和打磨，再清理干凈修復的部位，使舊橋面保持平整、干凈，打好基礎，以便預應力碳纖維板加固施工的正常進行[3]。

4.3 定位放線

1)用鋼筋探傷儀檢測橋梁待加固部位的主筋與構造筋，確定各自的分布位置；2)確定錨桿安裝位置；3)按圖紙要求確定孔位，設置標記。

4.4 鉆孔、植筋

按圖紙要求，彈出碳纖維板張拉端和固定端錨固塊的位置，設置標記，后續根據標記在指定位置進行安裝作業；用鋼筋探測儀檢測鋼筋的分布位置，重點判斷鉆孔深度范圍內是否存在鋼筋。若無可直接在該處鉆孔，否則需調整孔位，避免因鉆孔而損傷鋼筋。經過孔位測放和探測后，用沖鋒鉆打孔，成型后清理孔洞中的雜物，檢驗孔的孔位、孔徑、孔深等，確認無誤后將植筋膠和螺桿錨栓置入孔內進行錨固。本橋梁采用BXM-20絞式錨具，以便靈活調整碳纖維板的受力情況，避免碳纖維板的張拉力局部過于集中。鋼筋螺桿固化且強度達標后，在錨固塊、錨栓表面涂抹防銹漆，向錨固塊涂抹黏結膠，將其穩定黏結在板梁底部位置，檢測安裝位置，確認無誤后設置螺母進行固定。對稱布置楔塊，位置安排在距兩端橋臺0.5m的板鉸縫處，對接鋼楔塊較小的截面端，使兩者緊密結合，再楔入鉸縫空隙，而后向四周縫隙處均勻涂抹快封膠，起到密封的作用。

4.5 修補裂縫

在了解箱梁底板和腹板開裂病害的特征后，研究裂縫的修補方案。考慮到后期運營荷載持續增加，對橋梁結構的可靠性提出更高的要求，因此提高裂縫的修補標準，按照A類預應力構件控制，最終確定如下修補方案：1)縫寬<0.15mm的裂縫，清理縫內雜物，用樹脂封閉膠封閉；縫寬≥0.15mm的裂縫，采用灌縫處理方法，材料可選擇專用環氧樹脂漿液或灌注膠；2)橋梁過往車輛的荷載較大，且車流量大，在裂縫修補工作中高度重視底板跨中橫向開裂區段的處理，通過加固措施來強化該部位的預應力碳板，降低裂縫的發生率，防止既有裂縫的持續擴展，預應力碳維板加固施工方法屬于體外預應力加固法，是借鑒了預應力鋼筋混凝土的概念提出的加固方法，它發揮了碳纖維材料自重輕、強度高、耐腐蝕等特點，又具有施工操作簡單、施工速度快、質量容易保證、效果美觀、耐性好和后期護費用少等優點。中跨底橫向裂縫較多，此部位的加固采用38塊型號為CFP 3.0～50的碳板，兩個邊跨底板均采用20塊同型號的碳板加固，張拉控制應力為1 008～1 277MPa。

4.6 混凝土表面處理

預應力碳纖維板的粘貼范圍為板底錨固塊中心點連線左右相距3.0cm的范圍。粘貼前，需要將此部位清理干凈，處理好孔洞、凹凸、腐蝕等問題，再向處理好的部位粘貼預應力碳纖維板，使其保持平整和穩定。以預應力碳纖維板的布設位置為準，確定卡板、植筋的布設位置。經過探測后確定鋼筋的分布位置，對比分析鋼筋與鉆孔的位置關系，經過協調后使鉆孔位置避開鋼筋，打孔采用與鋼筋直徑一致的鉆頭進行，鉆孔后檢驗孔位、孔徑、孔深等指標，保證無誤。植筋完成后，用高強螺栓上緊卡板[4]。

4.7 碳纖維板的下料和粘貼

為提供良好的現場施工環境，理論上應在橋梁加固期間采取交通封閉措施，避免因過往車輛的干擾而導致現場施工活動難以正常進行，但從實際情況來看，由于現場交通量較大，難以完全封閉交通，因此需要通過限速的方式減小車輛對橋梁加固的影響，車輛行駛速度需在20km/h以內，且車輛均要平穩行駛，不可忽然提速、急剎車。根據錨固塊的位置確定碳纖維板的下料長度，先確定尺寸，再用剪刀裁剪出合適尺寸的碳纖維板，揭掉兩頭防護薄膜，用丙酮溶液擦拭板材兩面直至保持干凈，再將處理好的碳纖維板粘貼至指定的位置。在粘貼碳纖維板時，采用到HM-E8碳纖維配套黏結膠(A劑、B劑按照3∶1的比例配制而成)。拌制時，向容器中摻加A劑、B劑后，順時針攪拌3～5min，使黏結膠具有均勻性。一次制備量約為4～8kg，根據隨拌隨用的原則，在拌制后的2～3h內使用完畢，否則黏結膠的黏結性能下降，影響碳纖維板黏結穩定性。向預應力碳纖維板涂抹黏結膠，平穩地放入錨具內，控制好放置的位置和深度，擰緊夾板，使碳纖維板維持穩定[5]。

4.8 碳纖維板的張拉

穩定夾持碳纖維板，將其布置在錨固段，用連接螺栓固定。通過套筒連接張拉螺桿和連接螺桿，將反力鋼板安裝在張拉螺桿的末端并控制好其與錨固塊的距離，具體以千斤頂位置準確且不掉落為基本要求做靈活的控制。張拉采用的是千斤頂油泵，張拉力為2 500MPa，張拉期間及時監測和控制張拉力，張拉結束后擰緊錨固螺母，使碳纖維板保持穩定，并揭掉表面的防護膜，在保證表面干凈的前提下，均勻涂抹黏結膠，用卡板將碳纖維板連接至結構表面，對于無需使用的張拉設備和反力設備，應及時進行拆除、維護等收尾工作，最終結束碳纖維板的粘貼和張拉作業。

5 橋梁加固前后的力學性能對比

根據本橋梁加固施工情況，采用18片預應力碳纖維板對50m跨連續箱梁梁底及腹板進行加固，單片板的厚度為1.4mm、寬度為10cm，單片張拉力為140kN，18片碳纖維板共計2 520kN。為檢驗預應力碳纖維板在本橋梁加固中的應用效果，采用橋梁博士Dr.Bridge 3.2程序計算加固箱梁的力學參數，并根據計算結果進行分析。具體如下。

(1)箱梁預應力碳纖維板加固前的計算結果，如圖1、圖2所示。

圖1 承載能力抗彎強度(kN·m)

圖2 正常使用極限狀態效應包絡圖(MPa)

(2)箱梁預應力碳纖維板加固后的計算結果，如圖3、圖4所示。

圖3 承載能力抗彎強度(kN·m)

圖4 正常使用極限狀態效應包絡圖(MPa)

通過對圖1～圖4計算結果的對比分析可知，箱梁的承載能力抗彎強度和極限狀態應力均由于預應力碳纖維板加固施工而顯著提升。以箱梁各部位的抗力值為例，箱梁關鍵力學參數，如表1、表2所示。

表1 承載能力驗算結果

表2 正常使用極限狀態應力驗算結果

根據表1、表2可知，采用預應力碳纖維板加固橋梁箱梁后，邊跨箱梁跨中和次邊跨箱梁跨中的抗力值、正常使用應力值均比加固前更高，表明粘貼預應力碳纖維板后能夠有效提升箱梁的綜合性能，取得良好的加固效果。

6 結語

綜上所述，預應力碳纖維板加固技術是橋梁加固中的常用技術，依靠碳纖維板的性能優勢，提高結構的強度，有效加固橋梁。在本文中，結合橋梁工程實例分析了預應力碳纖維板在橋梁加固中的應用要點，并計算力學性能指標，對比分析各指標在預應力碳纖維板加固前后的變化，結果表明被加固箱梁的承載力顯著提升，能夠解決原本橋梁結構穩定性差、難以承受重載等問題，工程采用的預應力碳纖維板加固技術具有可行性，有推廣價值。